WGX7光纤信息与光通信实验系统实验讲义.docx
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WGX7光纤信息与光通信实验系统实验讲义
WGX-7型
光纤信息与光通信实验系统
实验讲义
V1.0
目录
注意事项1
实验一光纤光学基本知识演示实验2
实验二光纤与光源耦合方法实验3
实验三多模光纤数值孔径（NA）性质及参数测量实验5
实验四光纤传输损耗特性及参数测量实验7
实验五Mach-Zehnder光纤干涉实验9
实验六光纤压力传感原理实验10
实验七光纤温度传感原理实验11
技术服务12
注意事项
1.每次开始实验时请先打开机箱上的总电源开关，再打开所需要光源的开关。
切勿在光源开关打开的状态下打开总电源开关，以免造成光源永久性损坏。
2.结束实验时先关闭所有光源的开关，再关闭总电源开关。
切勿在光源开关打开的状态下关闭总电源，以免造成光源永久性损坏。
3.每次连接光纤跳线时，请用镜头纸蘸取酒精将光纤端面擦拭干净。
4.每次做完实验，请及时将法兰盘和跳线上的防尘帽盖上，以免灰尘进入。
5.请勿用肉眼直视各个光源，以免对眼睛造成损伤。
6.仪器长期不使用时，请切断电源，并保持仪器的干燥和清洁。
实验一光纤光学基本知识演示实验
一.实验目的
了解光纤光学中的基础知识和常用器件。
二.实验原理
光纤是工作在光波波段的一种介质波导，为双层圆柱形，内层为纤芯，外层为包层，纤芯折射率略大于包层。
光被约束在光纤中进行传播。
由于边界条件的限制，光波的电磁场解是非联系的，这种不连续的场解构成模式。
由于光纤纤芯细小，光纤通信中常用的激光器发出的激光需要耦合装置才能进入到光纤中。
在光纤中传播的光束控制通过光纤器件完成，如用于光纤连接的跳线，用于分束的光纤耦合器，允许光单向传播的光隔离器，改变光传播通道的光开关，改变光能量的光衰减器等。
本实验系统涵盖了光纤光学中的常用器件。
并对相应的器件进行介绍以及对部分参数进行测量。
三.实验装置：
实验主机、光纤1段、光纤切割刀1把、手持式光功率计1台、WGN-1型激光功率指示仪1台、光纤跳线1根、法兰盘。
四.实验内容及步骤
a）实验内容：
认识光纤器件，对应实物讲解光纤光学基础知识。
b）实验步骤：
1.介绍单模光纤，多模光纤，光纤切割刀；
2.介绍光纤跳线，法兰盘；
3.介绍光功率计。
实验二光纤与光源耦合方法实验
一.实验目的
初步掌握光纤切割技术，光源与光纤耦合技术，体会透镜数值孔径对耦合效率的影响。
二.实验原理
光纤作为无源器件，是光纤传感器中基本组成部分。
其端面处质量的好坏，直接影响与光源的耦合效率及光信号的采集。
光纤端面的处理可分为两种形式，即平面光纤头和透镜光纤头，本次实验主要是平面光纤头的制作。
光耦合是将光源发出的光，注入到光纤中的一个过程。
光耦合效率与光纤端面质量和耦合透镜的数值孔径有关，当光纤端面处理的质量较好，其数值孔径与耦合透镜数值孔径相匹配时可得到最佳耦合效率。
耦合效率
（1）
Pf为光纤输出功率，P0为光源输出功率。
光纤耦合原理如附图1所示：
附图1光纤耦合原理图
三.实验装置：
主机、GY-24型He-Ne激光器1台、WGN-1型激光功率指示仪1台、光纤切割刀1把、光纤剥线钳1把、多模光纤1段、酒精泵1个、镜头纸1本。
四.实验内容及步骤
a）实验内容：
切割光纤端面；测量耦合效率。
b）实验步骤：
1、剪一段多模光纤；
2、用剥线钳剥去涂敷层，用镜头纸蘸取适量酒精擦干净剥出的裸纤；
3、用光纤切割刀在裸光纤外壁上轻刻一小口，然后轻轻敲断，端面应垂直，无毛刺；
4、将切好的光纤夹持在光纤卡头上，然后将光纤卡头放进五维调整架中；
5、打开He-Ne激光器，预热几分钟，用激光功率指示仪测量激光器的输出功率P0，并记录下P0数值；
6、将光路调至与主机箱上板平行，同时调整10×显微物镜与光路同轴；调整五维调整架，让激光通过10×显微物镜汇聚后打在光纤的端面上，使光耦合进入光纤。
观察另一端输出情况，并用激光功率指示仪测量输出功率Pf，并记录下Pf的数值；
7、将P0、Pf的值代入公式
（1），计算耦合效率。
五.实验报告要求
按照实验内容和步骤反复测量5次，将实验测量结果填入下列表格，并计算出5次的平均耦合效率η。
数据1
数据2
数据3
数据4
数据5
P0
Pf
η
5次η平均值
实验三多模光纤数值孔径（NA）性质及参数测量实验
一.实验目的
1.掌握测量多模光纤数值孔径的一种方法。
2.了解光纤数值孔径的物理意义。
二.实验原理
光纤数值孔径NA是表征光纤集光能力的主要参数，其理论表达式为：
式中：
n1—纤芯折射率，n2—包层折射率。
可见光纤的数值孔径与直径无关。
在实际测量中，一般采用“远场法”。
“远场法”的定义是：
光纤远场辐射强度分布下降到最大的5%时，远场辐射半角的正弦定义为数值孔径NAeff=Sinθ，与理论值关系为：
NAeff=KNA，K为比例因子。
测量原理如附图2所示：
附图2NA测量原理图
三.实验装置：
主机、GY-24型He-Ne激光器1台、WGN-1型激光功率指示仪1台、光纤切割刀1把、光纤剥线钳1把、多模光纤1段、酒精泵1个、镜头纸1本。
四.实验内容及步骤
1.打开He-Ne激光器，校正实验系统；
（1）调整He-Ne激光器，使激光束平行于主机上面板；
（2）取待测光纤，对其两端做切割处理，一端经五维调整架与激光束耦合（参考实验二），一端夹持于白屏前，并与接收屏保持垂直；
2.测试输出孔径角
（1）固定光纤输出端；
（2）置白屏与距光纤输出端L处，则在接收屏上显示出光纤输出光斑，其直径为D。
（3）测量L和D值，则得输出孔径角为：
3.计算光纤数值孔径：
NA=Sin
4.关闭He-Ne激光器电源，实验结束。
五.实验报告要求
按照实验内容及步骤反复测量5次，记录下测量结果，求出5次的平均值。
数据1
数据2
数据3
数据4
数据5
L
D
NA
5次NA平均值
实验四光纤传输损耗特性及参数测量实验
一.实验目的
1.掌握“插入法”光纤损耗测量技术；
2.了解光纤稳态功率分布概念及其对光纤损耗的影响；
3.了解光纤损耗与波长之间的关系和光纤通信“窗口”的实际意义。
二.实验原理
在光纤传输过程中，光信号能量损失的原因是复杂的，有本征的和非本征的。
在实际应用中最关心的是它的传输总损耗。
光信号沿光纤传输时，光功率的损耗叫做光纤的衰减。
为满足精确、可重复的测量结果，测量时应保证光纤中的功率分布是稳定的。
实际光纤中因为存在各种不均匀等因素，将引起模耦合，而不同的模和群速度各不相同。
因此在多模情况下，需要保证稳态注入条件，如使用扰模器。
单模光纤由于只有一个模式，则没有稳态功率分布问题。
光纤衰减损耗的另外一个影响因素是波长，不同波长的衰减是不同的。
衰减是以分贝（dB）为单位的，因此，在波长λ上光沿光纤传输距离L后的衰减定义为：
（1）
式中，P1、P2分别是注入端和输出端的光功率。
对于一根均匀的光纤就可以定义单位长度（通常是1km）的衰减叫做衰减系数：
（2）
光纤的衰减系数是一个与长度无关的参数。
测量原理如图所示：
附图3光纤传输损耗实验原理图
其中两断点P1、P2处为光纤活动连接器，在这两点处分别测取光功率。
三.实验装置：
主机、手持式光功率计1台、WGN-1型激光功率指示仪1台、光纤跳线1根、单模光纤1盘、法兰盘1个。
四.实验内容及步骤
1.将主机上的1550光源与手持式光功率计用一根光纤跳线连接起来；
2.打开1550光源电源，用光功率计测取光纤跳线输出端的光功率P1；
3.保持输入状态不变，将1盘单模光纤的一端与光纤跳线用法兰盘连接；
4.用光功率计测取这盘单模光纤另一端输出光功率P2；
5.将P1、P2代入公式
（2）中，计算出损耗衰减系数；
6.换用主机中的650光源；重复实验步骤2-5（650光源的功率用WGN-1型激光功率指示仪测量）；
7.关闭电源，实验结束。
五.实验报告要求
分别测量1550光源、650的损耗衰减系数，将实验结果记录下来。
1550光源
650光源
P1
P2
实验五Mach-Zehnder光纤干涉实验
一.实验目的
1.掌握光纤Mach-Zehnder干涉仪的基本原理；
2.实验操作调试Mach-Zehnder干涉仪并进行性能测试。
二.实验原理
以光纤取代传统Mach-Zehnder干涉仪的空气隙，就构成了光纤型Mach-Zehnder干涉仪。
这种干涉仪可用于制作光纤型光滤波器、光开关等多种光无源器件和传感器，在光通信、光传感领域有广泛应用，其应用前景非常好。
光纤型Mach-Zehnder干涉仪实际上是由分束器构成。
当相干光从光纤型分束器的输入端输入后，在分束器输出端的两根基本长度相同的单模光纤汇合处产生干涉，形成干涉场。
干涉场的光强分布（干涉条纹）与输出端两光纤的夹角即光程差相关。
令夹角固定，那么外界因素改变的光程差直接和干涉场的光强分布（干涉条纹）相对应。
附图11Mach-Zehnder干涉实验原理图
三.实验装置:
主机、光纤跳线1根。
四.实验内容及步骤
1.将主机中的“650光源”端口与“光源输入”端口用1根光纤跳线连接起来。
2.打开光源，观察毛玻璃窗上的干涉条纹。
3.打开上盖，观察内部光路结构，分析观察到的现象。
实验六光纤压力传感原理实验
一.实验目的
1.了解光纤传感的原理及意义。
2.实际操作观察光纤压力传感的现象。
二.实验原理
光纤传感的工作原理是，被测量的量改变了光纤的传输参数或载波参数，这些参数随待测信号的变化而变化。
光信号的变化反映了待测物理量的变化。
本实验系统所进行的传感原理是Mach-Zehnder光纤干涉原理。
Mach-Zehnder干涉属于双光束干涉原理，由双光束干涉院里面可知，干涉场的干涉光强为：
I∝（1+cosδ）
δ为干涉仪两臂的光程差对应的相位差，δ等于2π整数倍时为干涉场的极大值。
压力改变了干涉仪其中一臂的光程，于是改变了干涉仪两臂的光程差，即位相差，位相差的变化由按上式规律变化的光强反映出来。
附图12光纤压力传感原理图
三.实验装置：
主机、光纤跳线1根。
四.实验内容及步骤
本实验中传感量是压力，压力改变了光波的位相，通过对位相的测量来实现对压力的测量。
具体的测量技术是运用干涉测量技术把光波的相位变化转换为（振幅）变化，实现对压力的检测。
操作方案采用光纤干涉仪进行对压力传感的测量，利用干涉仪的一臂作参考臂，另一臂作为测量臂（改变应力），配以检测显示系统就可以实现对压力传感的观测。
本实验只对压力引起光波参数改变作定性的观测，即观察压力的改变引起观测屏上干涉条纹的移动。
注意事项：
每次做完实验，请将螺旋测微头旋至10mm刻度以外。
实验七光纤温度传感原理实验
一.实验目的
1.了解光纤传感的原理及意义。
2.实际操作观察光纤温度传感的现象。
二.实验原理
光纤传感的工作原理是，被测量的量改变了光纤的传输参数或载波参数，这些参数随待测信号的变化而变化。
光信号的变化反映了待测物理量的变化。
本实验系统所进行的传感原理是Mach-Zehnder光纤干涉原理。
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